5G通信中的增强物理层安全信号处理技术研究
来源:用户上传
作者:
摘要：本文通過分析5G移动通信在安全性方面的要求，探究了关于增强物理层安全信号的处理技术，以期对5G移动通信未来的发展提供一定的帮助。
关键词：5G通信;物理层安全;信号处理
中图分类号：TN918 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）06-0046-02
0 引言
当前阶段，我们运用的无线通信技术虽然具备一定的广播特性，但用户在通信中却面临着窃听的危险，更新无线通信系统必不可少，这就给相关设计人员的工作带来很大的挑战。在过去，若要有效解除用户被窃听的风险，行之有效的解决办法是给网络层进行加密，但在秘钥的分配和管理上却经常出现漏洞。近几年来，相关方面的研究转向以5G移动通信物理层安全信号技术的处理上来，在降低高层协议复杂度方面的优势明显，具有十分广阔的应用前景和开拓价值。
1 关于数据发射阶段的物理层安全信号处理
由于人们在使用5G移动通信时会传输大量的信息，包括部分隐私信息，这些信息若不能得到妥善的加密处理，很有可能对用户安全带来隐患。因此，解决好信号窃听的问题，很大程度上便解决了5G移动通信所面临的最大的安全问题。目前，在5G移动通信的物理层安全信号处理上，数据发射阶段较常使用的处理技术有以下两种[1]：
1.1 数据编码技术
5G移动通信在信号保护方面的功能较弱，信号保护问题一直是困扰5G移动通信发展的一大阻碍。在过去相关的应用中，由于5G移动通信数据传输的重要性较低，人们的关注度也随之降低，但随着移动通信网络系统的发达，现在5G移动通信网络已经得到了广泛的应用，5G移动通信的数据传输问题再次得到社会各界人士的关注。数据编码技术便是基于5G移动通信数据传输的原理和数据传输中存在的问题，结合信息保护功能的特殊性，利用电子数据保护方式对物理层的安全信号进行数据编码，经过数据处理层的处理之后，再传送到对应位置上来。这种常见的数据保护方法，一般采用矩阵形式重新排列组合数据流，从而对物理层上的数据传输进行保护。但是，因为目前移动智能终端的数据处理能力十分有限，仅仅通过数据编码技术进行信息保护是远远不够的，被破译的可能性仍旧很大，所以在具体开展时应将理论和实际有效地结合起来，采用编码技术处理时，相关的工作人员仍需多方面考虑其他信号处理技术的实效，全方位守护5G移动通信系统。
1.2 干扰信号加入的安全信号处理技术
由于智能移动端数据处理的容量不大，一些功能较为强大的信号安全处理技术都无法得到充分的运用。因此，采用一些新技术增强5G移动通信物理层安全信号处理技术是必不可少的。结合移动通信的性质、特征，干扰信号加入的安全信号处理技术应运而生。加入干扰信号的方法是在智能移动端主信道的信号收集工作做完以后，在信号发送之前加入部分人工噪声的干扰信号，将两种信号即主信道信号和噪声信号加以混合，接着通过对应的数据编码技术将信号进行编码，而后抄送。这样处理的目的是，有效防止用户在使用5G移动通信技术时个人信号被拦截窃听的风险，通过加入人工噪声信号这种特殊的干扰信号，即使信息被拦截也能够有效稀释拦截到的信息量，从而实现安全信号处理的目的。在实际应用中，应当注意两点事项：第一点，为了防止加入的人工噪声信号超出主信道的信号，应注意平衡好数字信号和人工噪声信号的幅度;第二点，虽然加入干扰信号能有效降低拦截者的窃听效率，但这样做对于用户自身信息的完整性而言还是有一定影响的，所以平衡选择这一环节一定要做好，才能对整个5G移动通信系统起到更大的保护作用。
2 信号处理阶段的物理层安全信号处理
提升5G移动通信的物理层安全信号处理技术，根据不同的阶段采取不同的数据处理方法，在数据发射阶段，数据编码技术和干扰信号加入的安全信号处理技术这两种技术的有效运用，一定程度上降低了用户信号被窃听的风险。而在信号处理阶段，为了更好地提高物理层安全性的技术手段，常见的解决方案有两种：第一种是针对信号在被拦截之后，对拦截者信道施加干扰的重复性的信号反馈与校正方案，第二种是双向校正方案，弥补了第一种方案的不足，能够更加完整地保留信号本身[2]。
2.1 重复性的信号反馈与校正方案
在信号处理阶段，重复性的信号反馈与校正方案能够起到干扰拦截者信道预判的效果，主要通过发射端发射导频训练信号和人工噪声的方式，影响窃听者的信道估计性能。当信号被拦截者拦截下来以后，拦截者会对移动通信网络的信道加以预判，窃取个人信息。如果能在这一过程施加有效的干扰，减缓拦截者获取有用信息的频段，用户通信安全即使遭受一定的威胁，至少也能减少信息被窃取的损失。
重复性信号反馈与校正作为常用的处理方法之一，理解具体操作过程的步骤，在每一环节认真把关：在信号发射时，通过导频序列的整合，启动预定的信号处理工序，信号经过处理之后再发送。发射端接收经过处理后的新导频序列，与此同时添加人工噪声干扰信号，并将此前的导频训练信号二者合并，放入CSI零空间，CSI零空间主要反馈目的端的信号与讯息。目的端对精密性移动信号与智能信息的阻滞作用较强，可大大减低窃听者的信道强度，避免用户信息被二次加工处理。紧接着，目的端估计信道后再次反馈给发射端，发射端合并前两次的结果，提炼出完整的讯息导频序列，再经由CSI零空间的信号放送估计CSI精度。这一过程中重复的步骤较多，多次训练的目的只为用较少的导频功率进行移动信号处理，直到发射端获得精确的CSI精度值为止。而人工噪声干扰信号加入的目的，是为了使信道子空间更为精确。综合CSI零空间、信道、发射端三者，巧妙地运用三者之间的联系，将重复性的信号反馈与校正工作落实到位，在实践中达到干扰拦截者信道预判的理想效果。
2.2 双向校正方案
双向校正技术方案能够将接收端纳入整个信号校正过程，双向对信号进行校正，提高信号校正的工作效率。第一阶段，主要是在目的端进行反向训练，向源端发射已知的训练信号，根据信道互易性，等待目的端到源端的信道信息估计完成后再进行精准的转置，这样一来，窃听者虽然能估计出从目的端传来的信道信息，但由于双向校正技术方案中反向信号训练功能的充分发挥，在目的端到源端的训练信号被双向转置了，所以从源端传来的信道信息便无法有效接收到。第二阶段，前向训练阶段通过源端向目的端发射导频信息，并插入CSI零空间的人工噪声，重新进行信号的校正。接收端在接到校正信号时同步进行广播，窃听者此前并不知情。接收端可以把接收到的信号向发射机转达，直接计算出前向信道的值。但是，这两种导频校正方案，在性能方面仍存在一定的局限性，所以有待进一步的探索和完善。
3 结语
综上所述，为了保证5G移动通信的应用发展，更好地满足信息体验用户的安全需求，根据不同的阶段采取不同的数据处理方法，将研究方向转向应用价值与开拓前景并重的新型处理技术的开发，这对提高5G通信的物理层安全水平仍有着十分重要的影响，应再接再厉，继续潜心钻研。
参考文献
[1] 孙辉.无线通信物理层安全方案探析[J].电子世界，2017（13）：9-10.
[2] 侯晓赟，黄庭，金朱艳，范伟.增强物理层安全的联合发射天线选择和人工噪声技术[J].信号处理，2014（11）：1263-1266.
Research on Enhanced Physical Layer Security Signal Processing Technology in 5G Communication
HUANG Shou-jie
（Zhongshixun Communication Construction Co.， Ltd. ， Guangzhou Guangdong 511450）
Abstract：By analyzing the security requirements of 5G mobile communication， this paper explores the processing technology of enhanced physical layer security signal， with a view to providing some help for the future development of 5G mobile communication.
Key words：5G communication; physical layer security; signal processing
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15008243.htm
